Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCÉDÉ DE COMMUNICATION EN MODE PAQUETS DANS UNE CELLULE A
ANTENNES DISTRIBUÉES
La présente invention concerne le domaine des communications dans les
systèmes de radio-communications cellulaires ou réseaux de télécommunications
mobiles. Elle concerne plus particulièrement les communications en mode
paquets
dans une cellule comprenant une pluralité de points rayonnants ou antennes.
De façon connue en soi, de tels réseaux sont formés de cellules, comprenant
chacune une station de base chargée d'assurer les communications avec les
mobiles
présents dans la cellule. Diverses normes ont déjà été définies pour les
systèmes de
télécommunications terrestres à terminaux mobiles, notamment les normes GSM
900
ou DCS 1800. De telles normes comprennent une pluralité de couches; par
exemple
les couches supérieures de la norme GSM sont des couches de contrôle dè
cellule
(acronyme CC pour les termes anglais "call control") et de gestion de la
mobilité
(acronyme MM pour les termes anglais "mobility management"). Toujours pour la
norme GSM, chaque station terrestre (BTS pour les termes anglais "base
transmission
subsystem') émet dans une cellule, où elle est identifiée par une voie balise
(acronyme
BCCH pour les termes anglais "broadcast control channel").
L'invention concerne plus particulièrement la transmission de données
paquets dans les cellules présentant une pluralité d'antennes ou points
rayonnants.
De telles cellules, appelées aussi cellules à antennes distribuées ou
picocellules sont
constituées d'un nombre important d'antennes distribuées sur une surface
réduite,
comme par exemple un campus ou des bcîtiments, et reliées à un contrôleur
radio
assurant la fonctionnalité d'une station de base logique de grande capacité.
Une telle
cellule à antennes distribuées peut typiquement servir plus de mille mobiles,
avec un
taux d'utilisation de 10%.
Dans la suite de la description, l'invention est décrite en référence au cas
particulier du réseau mobile GSM, et du service GPRS (acronyme de l'anglais
"General Packet Radio Service"); elle n'est pas limitée à cet exemple
particulier.
Pour de telles cellules présentant une pluralité d'antennes distribués, se
pose
le problème de l'optimisation de la transmission de données, et notamment dans
le
cas du GSM, de la transmission de données en mode paquets. Cette optimisation
a
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pour but de maximiser le débit et de minimiser le délai d'acheminement,
statistiq uement.
Pour résoudre ce problème, l'ETSI (European Telecommunications Standard
Institute) propose dans les recommandations GSM ETR 03.60, 03.64 et 04.60 la
solution suivante:
- dans le sens descendant, de la station de base vers les mobiles, les
paquets sont envoyés en série, et sont diffusés dans toute la cellule,
indépendamment
de son architecture et du nombre d'antennes qu'elle comprend;
- dans le sens montant, depuis un mobile vers la station de base, un
protocole gère les temps de parole des mobiles, de façon à éviter toute
collision de
paquets, et ceci au prix là encore d'une stricte mise en série des paquets
provenant
de l'ensemble des mobiles de la cellule.
Cette solution présente les inconvénients suivants. La solution est limitée en
débit. En effet, la capacité est limité à une porteuse; dans le cas du GSM, la
capacité
est limitée à huit fenêtres temporelles (en anglais "time slots") pour
l'ensemble de la
cellule, et fournit donc un support de transmission de 8*9,6 ou 8*14,4 kbits/s
en
fonction de la nature de la communication - données ou paroles. En outre, la
solution de ce fait est mal adaptée à servir un grand nombre de mobiles, comme
c'est typiquement le cas pour une cellule à antennes distribuées. La solution
proposée
dans l'art antérieur induit donc des délais d'acheminement statistiques
importants.
Enfin, ces problèmes sont d'autant plus sensibles que l'utilisation de telles
picocellules
dans des zones de bureaux ou des campus génère du traffic avec une proportion
élevée de services de données; pour de tels services, le débit demandé est
important,
et les délais d'acheminement doivent être courts.
La demande de brevet française déposée le 08 septembre 1997 soûs le
numéro 971 1 123, avec pour titre "Station de base contrôlant les
communications
mises en oeuvre dans une cellule d'un réseau de radiocommunication cellulaire
et
numérique et procédé de contrôle correspondant", qui est publiée après la date
de
dépôt de la présente demande propose dans une cellule avec une pluralité de
relais
d'affecter sélectivement à chaque communication un jeu d'au moins deux relais,
en
liaison montante ou en liaison descendante. Cette demande propose de choisir
les
relais affectés à une communication en fonction d'une information relative à
la
qualité de la communication montante depuis un mobile; cette information peut
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comprendre, pour la communication, (e rapport signal à interférences, le
rapport
signal à bruit, la puissance reçue par le relais, le taux d'erreur binaire
brut ou après
décodage, le taux de perte de trame, ou une indication de positionnement
géographique.
L'invention propose une solution pour la transmission de données dans une
cellule à antennes distribuées, qui permette statistiquement d'augmenter le
débit, et
de diminuer le délai d'acheminement. Elle s'applique tout particulièrement à
la
transmission de données paquets. L'invention permet un accroissement du débit
des
paquets, tant en liaison descendante que le cas échéant en liaison montante;
elle
permet ainsi d'augmenter le nombre de mobile en trafic simultané en mode
paquets,
et ou d'augmenter le débit et donc de diminuer le temps moyen de transmission
par
mobile. L'invention est particulièrement avantageuse à mettre en oeuvre en
liaison
descendante pour permettre un accès à plus haut débit à des serveurs. Enfin,
l'invention peut être mise en oeuvre au niveau de la cellule à antennes
distribuées, de
façon transparente pour le reste du réseau mobile.
Plus précisément, l'invention propose un procédé de communications dans
une cellule, entre une station de base comprenant une pluralité de points
rayonnants
et au moins un mobile, comprenant
- l'affectation d'un point rayonnant à un mobile, et
- l'utilisation de ce point rayonnant pour les communications vers ledit
mobile
Avantageusement, la communication est une communication en mode
paquets.
Dans un mode de réalisation, l'affectation d'un point rayonnant à un mobile
comprend les étapes de
- écoute des différents mobiles sur tous les points rayonnants;
- comparaison des intensités des signaux reçus par les différents points
rayonnants; et
- affectation à un mobile du point rayonnant pour lequel l'intensité des
signaux émis par le mobile est la plus élevée.
Dans un mode de réalisation, l'affectation s'effectue en dévut de
communication lors de la demande d'accès.
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Dans un autre mode de réalisation, chaque point rayonnant comprend au
moins un récepteur mono-porteuse agile en fréquence, et l'étape d'écoute des
mobiles comprend le balayage des fréquences des porteuses possibles.
Dans encore un autre mode de réalisation, chaque point rayonnant
comprend un récepteur numérique large bande, et l'étape d'écoute comprend
l'analyse spectrale des signaux reçus.
Dans ces deux derniers cas, l'étape d'écoute et l'étape d'affectation sont de
préférence répétées en cours de communication.
Avantageusement, le procédé comprend en outre la réception par ledit point
rayonnant des paquets provenant du dit mobile.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend la réception par un
point rayonnant de paquets mis en série provenant des mobiles auxquels est
affecté
le dit point rayonnant, et l'assemblage des paquets reçus par lesdits points
rayonnants.
L'invention concerne aussi une station de base pour cellule d'un réseau de
télécommunications, la dite cellule comprenant une pluralité de points
rayonnants, et
des moyens d'affectation à un mobile se trouvant dans la cellule d'un des dits
points
rayonnants pour les communications vers le dit mobile.
Avantageusement, les communications sont des communications en mode
paquet.
Dans un mode de réalisation, les moyens d'affectation comprennent
- des moyens d'écoute des différents mobiles sur tous les points rayonnants;
- des moyens de comparaison des intensités des signaux reçus par les
différents points rayonnants pour affecter à un mobile le point rayonnant pour
lequel
l'intensité des signaux émis par le mobile est la plus élevée.
Avantageusement, la station de base comprend des moyens de
démultiplexage des paquets reçus depuis le réseau de télécommunications,
aiguillant
dynamiquement les paquets destinés à un mobile vers le point rayonnant affecté
à ce
mobile.
De préférence, la station de base comprend aussi une pluralité de moyens
gestionnaires de point rayonnant, assurant pour les communications de chaque
point
rayonnant la gestion et l'allocation des ressources radio, et recevant depuis
les
moyens de démultiplexage les dits paquets.
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S
Dans un mode de réalisation, la station de base comprend des moyens de
multiplexage des paquets reçus depuis les points rayonnants avant leur
transmission
au réseau de télécommunications.
De préférence, les moyens de multiplexage reçoivent les paquets depuis les
moyens gestionnaires de point rayonnant.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture
de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à
titre
d'exemple et en référence aux dessins annexés qui montrent:
- figure 1 une représentation schématique d'une cellule à antennes
distribuées;
i 0 - figure 2 une représentation schématique plus détaillée de la cellule de
la figure 1.
La figure 1 montre une représentation schématique d'une cellules à
antennes distribuées; la cellule comporte un radiocontrôleur représenté
schématiquement par la référence 1, et S antennes ou points rayonnants
déportés ou
distribués 2~ à 2g, S étant un entier naturel; S présente typiquement une
valeur de 2
à 30. Les points rayonnants permettent d'assurer une couverture radio quasi-
uniforme dans la cellule, par exemple dans le ou les bâtiments composant la
cellule.
Chacun des points rayonnants 2; peut contenir une partie des fonctionnalités
radio, et
est capable d'émettre et de recevoir simultanément plusieurs porteuses, en
saut de
fréquence. Le partage des fonctionnalités entre le radiocontrôleur 1 et les
antennes
déportées 2; s'effectue typiquement au niveau de la couche 1 du GSM, et son
implémentation exacte est sans effet sur la mise en oeuvre de l'invention.
Dans
l'exemple du GSM, tous les points rayonnants émettent de façon synchrone; ils
émettent simultanément, et écoutent la porteuse BCCH. En outre, les points
rayonnants peuvent avoir une capacité de trafic d'au moins une porteuse en
saut de
fréquence.
On a en outre représenté sur la figure 1 des mobiles 3~ à 3n présents dans
la cellule à antennes distribuées, et en traits interrompus la couverture des
différents
points rayonnants.
L'invention propose d'identifier (e meilleur point rayonnant pour au moins
une partie des mobiles, de sorte à utiliser les différents points rayonnants
pour
envoyer simultanément des paquets différents à des mobiles différents, situés
sous
des points rayonnants différents. L'invention permet ainsi d'augmenter
statistiquement
la capacité de transmission des paquets, en tirant bénéfice du parallélisme
dans la
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transmission; elle s'applique de préférence dans le sens descendant, mais peut
être
utilisée aussi en liaison montante. L'augmentation statistique peut être en
rapport du
nombre de points rayonnants, typiquement dans le cas de mobiles également
distribués dans la cellule.
Pour cela l'invention propose de prévoir dans la cellule à antennes
distribuées des moyens d'affectation d'antennes aux mobiles, de sorte à
pouvoir
envoyer et/ou recevoir simultanément des paquets différents à des mobiles
différents
situés sous des antennes différentes. Une solution pour affecter une antenne à
un
mobile consiste à identifier celle des antennes distribuées qui pour un mobile
permet
d'assurer la meilleure qualité de transmission vers ou depuis le mobile. Cette
"meilleure antenne" peut par exemple être choisie en début de communication
entrante ou sortante à partir de la demande d'accès, comme expliqué dans la
suite.
On peut aussi déterminer la "meilleure antenne" en cours de communication.
Ainsi, à titre d'exemple, dans le cas de la figure 1, le meilleur point
rayonnant pour le mobile 3~ est le point 23, à proximité immédiate duquel se
trouve
le mobile. Les moyens d'affectation pourraient ainsi affecter le point
rayonnant 23 au
mobile 3~, ou affecter le mobile 3~ au point rayonnant 23.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, les moyens d'affectation sont
représentés dans le radiocontrôleur 1, et sont référencés 4. Les moyens
d'affectation
peuvent fonctionner par écoute et suivi des mobiles. Dans le mode de
réalisation
dans lequel on utilise la demande d'accès pour affecter une antenne au mobile,
les
paquets d'accès sont émis par les mobiles sur la porteuse BCCH à fréquence
fixe;
dans ce cas, le récepteur BCCH de la cellule peut suffire pour analyser les
paquets
d'accès reçus sur les divers points rayonnants, et les moyens d'affectation
peuvent
utiliser les informations provenant du récepteur BCCH pour identifier le
meilleur point
rayonnant; par exemple en fonction de l'intensité du signal reçu sur chaque
point
rayonnant, ou avec l'une ou l'autre des méthodes proposées dans la demande de
brevet 971 1 123 précitée.
Dans le mode de réalisation dans lequel on détermine en cours de
communication la meilleure antenne, l'écoute des mobiles sur les points
rayonnants
peut s'effectuer de diverses manières, en fonction de la technologie radio
utilisée; on
ne donne ici que deux exemples. Si un point rayonnant comprend un nombre
limité
de récepteurs mono-porteuse agile en fréquence, on peut utiliser une fenêtre
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temporelle de l'un des récepteurs comme organe d'écoute; dans ce cas, on peut
faire
balayer successivement à ce récepteur l'ensemble des fréquences utilisées dans
la
cellule. On parvient de la sorte à écouter les paquets d'accès émis par les
différents
mobiles, depuis l'ensemble des points rayonnants. L'écoute des différentes
porteuses
S s'effectue sur un nombre de fenêtres temporelles égales au nombre de
porteuses
possibles. Dans un cas typique, on peut utiliser à l'intérieur de la cellule à
antennes
distribuées m = 4 à 63 fréquences.
Si au contraire chaque point rayonnant comprend un récepteur large bande,
couvrant toutes les fréquences simultanément, on peut procéder à une mesure de
champ simultanée à chaque paquet sur toutes les fréquences de la bande. Cette
solution est particulièrement avantageuse dans le cas d'une transmission en
mode
paquets; en effet, dans un tel mode, les paquets sont émis par les mobiles
pendant
des durées courtes, et à des instants imprévisibles. L'utilisation d'un
récepteur large
bande évite de préjuger de l'instant d'émission des paquets, ou plus
exactement,
permet de recevoir les paquets quels que soient l'instant d'émission et la
durée des
paquets.
On peut pour cela utiliser les principes de l'analyse spectrale; dans un mode
de réalisation, l'invention propose d'utiliser un banc de filtres numériques,
qui
fournissent une mesure de l'intensité du signal aux différentes fréquences des
porteuses utilisables par les mobiles. Dans un autre mode de réalisation,
l'invention
propose d'appliquer une transformation de Fourier aux signaux reçus sur les
différents points rayonnants. On peut ensuite simplement déterminer
l'intensité du
signal reçu par chacun des points rayonnants aux différentes fréquences de
porteuse
utilisables dans la cellule. Dans le cas de récepteurs larges bandes, on peut
ainsi au
rythme des paquets mesurer les signaux reçus depuis les mobiles par les
différents
points rayonnants. La mesure, soit par filtres numériques, soit par
transformée de
Fourier, peut s'effectuer sans récepteur dédié, ce qui permet d'éviter
d'occuper une
fenêtre temporelle ou de perdre de la capacité de réception.
Quel que soit le mode de réalisation, l'écoute des différents mobiles depuis
les points rayonnant fournit des mesures du champ reçu sur tous les points
rayonnants. Les moyens d'affectation peuvent ainsi établir une collection des
différents signaux reçus, et choisir pour un fréquence donnée, i. e. pour un
mobile
donné, le point rayonnant pour lequel l'intensité est maximale. On peut ainsi
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déterminer, pour chaque mobile, quel est le point rayonnant qui reçoit le
signal avec
l'intensité la plus élevée. On peut de la sorte affecter à chaque mobile une
"meilleure
antenne", qui est celle qui reçoit le mieux le mobile, et qui assure a priori
la meilleure
qualité de transmission pour la communication. La décision d'affectation peut
être
effectuée lors de la demande d'accès au service, comme décrit plus haut, où
encore
lors de toute émission par un mobile.
Dans ce dernier cas, l'invention permet un suivi dynamique des mobiles, de
sorte à permettre un changement de point rayonnant pour suivre un mobile en
déplacement dans la cellule; la meilleure antenne pour chaque mobile peut être
déterminée à chaque émission par le mobile, et peut varier dans le temps de
sorte à
assurer un suivi du mobile, en lui affectant à tout instant sur la liaison
descendante
un point rayonnant unique.
On peut aussi pour affecter un point rayonnant à un mobile utiliser les
techniques décrites dans la demande de brevet français 971 1 123 précitée.
Toutefois,
une implémentation des mesures de niveau et d'interférences par récepteur
large
bande, comme décrit plus haut, est la solution la mieux adaptée à une
transmission
en mode paquets; elle permet en outre d'assurer un suivi des mobiles.
Une fois qu'un point rayonnant est affecté à chaque mobile, l'invention
propose d'utiliser ce point rayonnant pour la communication en liaison
descendante,
autrement dit d'envoyer simultanément des paquets différents à ces mobiles
différents
situés sous des antennes différentes. Des modes de réalisation en liaison
descendante, puis en liaison descendante et en liaison montante sont décrits
dans la
suite.
En liaison descendante, l'invention propose de répartir les paquets à émettre
vers les différents points rayonnants, et pour un paquet donné, de n'émettre
le paquet
que sur le point rayonnant affecté au mobile auquel est destiné le paquet.
Pour cela,
on peut prévoir dans le radiocontrôleur des moyens de démultiplexage pour
démultiplexer les paquets reçus sur la cellule depuis le réseau mobile; les
moyens de
démultiplexage reçoivent depuis le réseau les paquets destinés aux mobiles de
la
cellule, et répartissent ces paquets vers les différents points rayonnants, en
fonction
des mobiles auxquels ils sont affectés. En d'autres termes, chaque paquet est
envoyé
vers le point rayonnant qui est à cet instant la "meilleure antenne" pour le
mobile
auquel le paquet est destiné. Dans ce mode de réalisation, il est ainsi
possible de
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n'émettre un paquet que depuis le point rayonnant couvrant à un instant le
mobile
auquel le paquet est destiné.
Les moyens de démultiplexage peuvent simplement comprendre des moyens
de lecture de l'en-tête d'un paquet. La lecture de l'en-tête permet
d'identifier le mobile
destinataire du paquet, par lecture de L'adresse logique du mobile
destinataire. Grâce
aux moyens d'affectation, le point rayonnant vers lequel le paquet doit être
envoyé
peut être déterminé dynamiquement, et les moyens de multiplexage peuvent
aiguiller
dynamiquement chaque paquet vers le point rayonnant qui lui est affecté.
Outre les moyens de démultiplexage, le radiocontrôleur comprend
avantageusement des moyens gestionnaires d'antenne, qui assurent pour chaque
antenne ou point rayonnant, la gestion et l'allocation des ressources radio,
pour les
différentes porteuses utilisées par chaque antenne. Les moyens gestionnaires
d'antenne reçoivent pour chaque antenne les paquets à émettre par l'antenne,
et
destinés aux mobiles couverts par l'antenne; pour chaque antenne ou point
rayonnant, le multiplexage des paquets peut s'effectuer localement en suivant
le
protocole GPRS mentionné plus haut. On assure de la sorte que les règles de
priorité
sont aussi respectées dans la cellule où l'invention est mise en oeuvre: en
effet, dans
une fenêtre temporelle, les paquets sont émis simultanément sur les différents
points
rayonnants de la cellule, et sur un point rayonnant donné, les règles de
priorité sont
respectées.
Avantageusement, les moyens de démultiplexage peuvent aussi gérer le suivi
dynamique des mobiles. Dans ce cas, ils reçoivent depuis les moyens
d'affectation les
informations relatives à la meilleure antenne pour chaque mobile, et en cas de
changement de cette antenne pour un mobile donné, peuvent transmettre à la
nouvelle antenne les éléments relatifs aux paramètres et ressources radios
affectées à
un mobile; ces paramètres peuvent être transmis depuis les moyens
gestionnaires
d'antennes de l'antenne précédente, ou peuvent aussi être modifiés. On assure
ainsi
un suivi des mobiles en liaison descendante en mode paquets, en permettant au
mobile de bouger dans la cellule, et de changer de point rayonnant.
Cette utilisation d'une antenne unique en mode paquets en liaison
descendante est bien adaptée à une utilisation classique de la communication
pour
un accès à un serveur. Dans un tel cas, le débit sur la liaison descendante
est
généralement beaucoup plus important que le débit sur la liaison montante. On
peut
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grâce à l'invention atteindre un débit en liaison descendante qui peut
augmenter en
proportion du nombre de points rayonnants dans la cellule.
En liaison montante, on peut utiliser les techniques classiques de GPRS
mentionnées plus haut; dans ce cas, les mobiles de la cellule émettent tous
sur la
5 même fenêtre temporelle, de sorte qu'un paquet est reçu par fenêtre
temporelle sur
toute la cellule. Cette solution ne permet pas d'augmenter la capacité en
liaison
montante; elle est toutefois bien adaptée à des accès des terminaux à des
serveurs,
avec comme indiqué ci-dessus un débit plus important en liaison descendante
qu'en
liaison montante.
10 II est aussi possible, pour la liaison montante, d'affecter à chaque mobile
une antenne ou point rayonnant dédié. Dans ce cas, chaque point rayonnant
reçoit
des paquets émis par les mobiles situés sous sa couverture, et les transmet
vers le
radiocontrôleur. Les moyens gestionnaires d'antenne peuvent alors démodùler et
décoder les paquets reçus sous chaque point rayonnant; les paquets peuvent
ensuite
être transmis à des moyens de multiplexage; ceux-ci assemblent les paquets, et
les
transmettent vers le réseau mobile. On arrive de la sorte à transmettre vers
le réseau
mobile les différents paquets reçus sur les points rayonnants distribués. Par
rapport à
la solution de l'art antérieur, on évite la mise en série des paquets au
niveau de
l'ensemble de la cellule; pour un point rayonnant, les paquets peuvent être
mis en
série comme proposé dans la solution de l'art antérieur.
Ainsi, l'affectation d'une antenne selon l'invention peut être utilisée non
seulement en liaison descendante, mais aussi en liaison montante et en liaison
descendante. La figure 2 montre une représentation schématique plus détaillée
de la
cellule de la figure 1, avec différents moyens utilisables selon l'invention.
On
reconnaît sur la figure 2, outre les éléments décrits en référence à la figure
1, les
moyens de démultiplexage 6 recevant depuis le réseau les paquets destinés à la
cellule; les paquets démultiplexés sont transmis aux différents moyens
gestionnaires
d'antenne 7~ à 7g, de sorte à être émis sur le point rayonnant approprié. Sur
la
liaison montante, les paquets reçus sur un point rayonnant 2; sont transmis
aux
moyens gestionnaires d'antenne correspondants, et aux moyens de multiplexage
8,
de sorte à être envoyés vers le réseau mobile.
L'invention, qu'elle soit mise en oeuvre sur la liaison descendante ou sur les
liaisons montante et descendante, est transparente pour le réseau en dehors de
la
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cellule: les paquets transmis depuis le réseau sont démultiplexés dans la
cellule et les
paquets provenant de la cellule sont multiplexés avant d'être transmis vers le
réseau.
Lorsqu'elle est mise en oeuvre en liaison descendante, l'invention permet
d'augmenter le débit à l'interface réseau par fenêtre temporelle, dans une
proportion
qui peut atteindre le nombre de points rayonnants dans la cellule. II en est
de même
le cas échéant en liaison montante.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes
de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses
variantes accessibles à l'homme de l'art. On a ainsi décrit le cas où les
moyens
d'identification de la cellule permettent d'identifier pour un mobile une
meilleure
antenne. On pourrait aussi le cas échéant utiliser non pas une mais deux
antennes.
II est aussi clair que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation
préféré dans lequel les moyens d'affectation sont centraux et localisés dans
le
radiocontrôleur; de même que le choix du partage fonctionnel entre le
radiocontrôleur et les points rayonnants, le partage fonctionnel des moyens
d'affectation ou des moyens de démultiplexage ou de multiplexage entre le
radiocontrôleur et les points rayonnants est sans incidence sur le
fonctionnement de
l'invention. En outre, le partage fonctionnel des ressources radio peut être
partagé
entre le radiocontrôleur et un contrôleur de station de base (BSC ou "base
station
controller" en langue anglaise) gérant plusieurs stations de base (BTS).
